蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究

1、文章编号: 1001-7445( 2013) 04-0801-09蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究 张 雯1 ，苏益声1，2 ，皮云东1 ，李启良3 ，郑述芳4 ，吴泽球1( 1. 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004;2. 广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西 南宁 530004;3. 广西华蓝设计( 集团) 有限公司 建筑设计院，广西 南宁 530011;4. 广西大学 行健文理学院，广西 南宁 530005)摘要: 为了研究蜂窝轻钢门式刚架在静力荷载作用下的受力性能，对 3 榀蜂窝轻钢门式刚架试件进行了竖向荷载作用下的静力试验，以揭示该新型结构的应力发展规律、

2、典型孔口及截面的应力分布、破坏机理。试验研 究结果表明: 试件破坏时梁柱多处孔周边达到屈服，孔间“墩”处鼓曲变形，导致刚架失去承载力; 刚架绝大部分典型截面基本符合平截面假定; 构件开孔率对承载力及刚度有明显影响，开孔率越大，承载力越低，刚度越小。圆形开孔形式优于六边形开孔形式。关键词: 蜂窝轻钢门式刚架; 钢结构; 静力性能中图分类号: TU391文献标识码: AThe experimental research on static behavior ofcastellated light-weight steel portal frameZHANG Wen1 ，SU Yi-sheng1，2

3、 ，PI Yun-dong1 ，LI Qi-liang3 ，ZHENG Shu-fang4 ，WU Ze-qiu1( 1. College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China;2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety，Guangxi University，Nanning 530004，China;3. Architectural Design Institute，Guangxi Hualan

4、Design Consulting Group，Nanning 530011，China;4. Xingjian College of Science and Liberal Arts，Guangxi University，Nanning 530005，China)Abstract: In order to study the static behavior of the castellated light-weight steel portal frame，three castellated light-weight steel portal frames were designed for

5、 vertical loading experiments to re- veal stress development，stress distribution of typical orifice and section，and failure mechanism of this new type of structure The results showed that the specimens were damaged due to the yielding of most orifices and the buckling of piers between holes; most of

6、 the typical sections of the frame ac- cord with the plane section hypothesis; the hole ratio in web has appreciable effect on the bearing capacity and stiffness，both of which are reduced with the increase of hole ratio，and circular hole is better than hexagonal holeKey words: castellated light-weig

7、ht steel portal frame; steel structure; static behavior蜂窝钢构件是将热轧工字型钢或者 H 型钢的腹板按规定的折线或弧线切割后，通过错位焊接而形收稿日期: 2013-05-10; 修订日期: 2013-06-22基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50968003) ; 广西科学研究与技术开发计划项目 ( 桂科攻 0995008) ; 广西防 灾减灾与工程安全重点实验室项目 ( 20122DX02 ) ; 2012 广西研究生教育创新计划项目 ( YCSZ2012016 ) ; 广西大学 2010 级大学生实验技能和科技创新能力训练基金

8、立项项目( syjn20120524)通讯联系人: 苏益声( 1956-) ，男，湖南醴陵人，广西大学教授，博士生导师; E-mail: suyisheng sina. com。802广西大学学报: 自然科学版第 38 卷成的空腹钢构件。传统钢结构门式刚架中的实腹梁柱被蜂窝钢构件替代后，将形成一种新型门式刚架，即蜂窝轻钢门式刚架。这种新型门式刚架结构具有传统门式刚架受力简单、传力路径明确的特点，以及 蜂窝钢构件刚 度 大、承 载 力 高、经济效益显著的优势。现 今，国内外对蜂窝钢构件的研 究 和 应 用 较多1-9，而对结构体系整体的静力性能和抗震性能的研究刚起步10-15。本文通过对 3 榀

9、蜂窝轻钢门式刚架试件进行竖向荷载作用下的静力试验，研究该结构类型的应力发展规律、典型孔口和截面的应力分 布情况以及破坏机理，以揭示其静力性能。1试件设计及加载方法1. 1 试件设计及制作本试验中设计制作 了 3 榀蜂窝轻钢门式刚架 CSPF 1、CSPF 2 和 CSPF 3，蜂窝钢梁跨度为 3 000 mm，蜂窝钢柱高 1 340 mm。蜂窝梁、柱由专业钢结构公司将 I16 热轧型钢按扩张比 K = 1. 4 生产 制作，腹板开孔形式选择圆形( CSPF 1) 和六边形( CSPF 2、CSPF 3) 两种，加工完成后构件截面尺寸 ( 单位: mm) 为 224 × 88 

10、5; 6 × 9. 9。详细的试件设计参数如表 1 所示。表 1 试件设计参数表Tab. 1 Experimental parameters of specimens原实腹截面尺寸蜂窝构件截面尺寸1试件编号节点处理孔形开孔率 / %孔数扩张比 KH × b × t × t / mmH × b × t × t / mmwwCSPF 1CSPF 2无加劲肋无加劲肋圆形六边形 六边形41. 531. 31291. 41. 4160 × 88 × 6 × 9. 9224 × 88 ×

11、 6 × 9. 9 CSPF 3 有加劲肋31. 3 9 1. 4 1. 扩张比 K = H / h，H 为蜂窝钢构件截面高度，h 为原实腹工字钢截面高度。本试验中门式刚架的蜂窝梁、柱在节点处由端板连接，并采用 10. 9 级 M16 摩擦型高强螺栓进行拼 接，同时，在节点域通过加劲肋实现局部加强; 柱脚连接方法采用门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 ( CECS102: 2002) 中的铰接柱脚形式。蜂窝轻钢门式刚架六边形孔构件 CSPF 2 如图 1 所示，节点连 接详图如图 2 所示。3 榀蜂窝轻钢门式刚架试件均在广西大学结构试验室进行拼装，通过扭矩扳手实现螺栓预紧力的 施加并严格

12、执行初拧、复拧、终拧 3 道工序，终拧扭矩为 222 N·m。图 1 六边形孔蜂窝轻钢门式刚架试件 CSPF 2Fig. 1 Cellular light steel portal frame in hexagonal hole CSPF 2803第 4 期张 雯等: 蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究图 2 梁 柱节点连接详图( 单位: mm)Fig. 2 Connection details of the node( Unit: mm)1. 2试验材料本试验 3 榀蜂窝轻钢门式刚架试件采用 I16 型钢制作，强度等级为 Q235。钢材性能各项实测指标如表 2 所示。表 2 钢材材料

13、性能Tab. 2 The material properties of steel板件厚度 / mm平均屈服强度 fy / MPa平均极限强度 fu / MPa 弹性模量 Es / MPa屈强比 fy / fu泊松比 2. 09 × 1052. 08 × 105610275. 3256. 6446. 5408. 20. 6170. 6280. 280. 281. 3加载装置及加载制度试验竖向静力荷载通过千斤顶实现分级加载，由分配梁于梁跨 1 /3 处施加两点集中荷载。考虑到试件平面外刚度较小，为防止发生整体失稳或扭转，试验时在梁上设置了两处侧向支撑( 如图 1 所示) 。为

14、记录部分受力情况特殊的孔洞边缘在不同荷载下的应变，在每个试件的 8 个关键孔口周边 ( 如 图 3 编号 ) 、节点及翼缘处设置测点，其中每个孔周均匀布置 12 个三向箔式电阻应变片，节点域图 3 CSPF 1 应变片布置( 单位: mm)Fig. 3 Strain gauges arrangement of CSPF-1( Unit: mm)804广西大学学报: 自然科学版第 38 卷粘贴 1 个三向应变片。以试件 CSPF 1 为例，应变片布置如图 3。为测定刚架梁的挠度，于梁跨中布置位移传感器，通过数据采集系统输出变形值。试验前对所有试件按屈服荷载预算值的 20% 进行预加载，同时校验仪

15、表的工作情况。正式试验阶 段采用荷载分级控制制度，将预估屈服荷载的 1 /15 定为每级加载的增量值。CSPF 2 试件加载到作动器荷载下降至刚架极限荷载的 85% 。鉴于后续抗震性能试验研究的需要，并且门式刚架塑性发展潜力 不大，一般按弹性理论进行设计，因此，CSPF 1 和 CSPF 3 两个试件加载至试件应力最大处达到钢材屈服强度时即停止试验。2试验现象破坏形态为便于描述试验现象，孔口周边的点位以夹角 及区域划分来确定，以圆孔试件为例在图 4 中说明 此规定。2. 1( a) 梁上孔洞( b)柱上孔洞图 4 及区域划分示意图 and partitions around the circu

16、lar holeFig. 4CSPF 1 静力试验只在刚架弹性阶段进行，每级荷载增量为 5 kN，试验过程中无明显平面外变形。当竖向荷载加至 75. 2 kN 时，梁端和号孔孔周有测点达到屈服应变并且其分布关于刚架中轴线对 称，屈服点位于号孔孔周与正截面( 以下简称 OM) 成 30° 60°角范围内，两孔屈服测点最大主应力分别为 271. 3 N / mm2 及 263. 2 N / mm2 ; 集中荷载作用处的号孔周的最大主应力亦达到屈服应变，而此 时蜂窝钢柱孔周及翼缘应变均较小，但随着荷载的增加，柱内侧的应变较外侧增长得快。当荷载增加至91. 8 kN 时，刚架梁最大

17、跨中挠度为 7. 86 mm，、 3 个孔周共有 6 处测点均达到了屈服应变，终止 试验，此时柱上测点并未屈服。对 CSPF 2 进行了破坏性试验，试验加载到刚架的承载力下降至 极 限 承 载 力 的 85 % ，每 级 荷 载 增量为 5 kN。当荷载为 70. 4 kN 时，左右柱顶和 号孔周有测点达到屈服应变，且应变分布符合 构件的对 称 性，随着荷载的增加，柱顶内侧翼缘的应变比其 他测点增长得更快。 当 荷 载 增 加 到110. 4 kN时，梁跨中上翼缘出现受压屈服; 而后荷载达到 114. 8 kN 时，跨中号孔周在 OM 方向上屈 服。在接下来的加载过程中，试件发出了“吱 吱 ”

18、的 声 响; 当接近极限荷载 143. 8 kN 时，集 中 荷 载 作用点的孔间“墩”处出现鼓曲，达到屈服应力的孔口翼缘处也有微小的波浪式变形，此 时 号 孔 口以及梁跨中翼缘共 37 个测点 屈 服。出 于 试 验 安 全 考 虑，当 荷 载 下 降 至 136. 2 kN 时 试 验 终 止，此时试件最大跨中挠度为 14. 43 mm。试件 CSPF 3 在弹性阶段进行试验，荷载每级增量为 5 kN，加载过程中无明显平面外变形。当荷 载加载至 70. 1 kN 时，屈服应变首先出现在左右柱顶和号孔周测点，其分布情况与 CSPF 2 试件基本一致; 荷载增加到 86 kN 时，梁上、孔周测

19、点的最大主应力达到屈服应力。当荷载加至 95 kN时，试件共有 7 个测点屈服，试验终止，此时梁跨中挠度为 7. 7 mm。3 榀刚架破坏形态总结于表 3。805第 4 期张 雯等: 蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究表 3 破坏形态对比Tab. 3 comparison of failure mode试件编号首先出现屈服点的位置最大跨中挠度 / mm主要破坏形态梁上共 6 处测点达到屈服应变，柱上测点并未屈服集中荷载作用点 孔 间“墩 ”处 鼓 曲，孔周出现屈服点处翼 缘出现微小波浪式变形破坏形态与 CSPF 2 基本一致CSPF 1CSPF 2梁端和号孔周柱顶和号孔周7. 8614. 43C

20、SPF 3柱顶和号孔周7. 702. 2试验现象分析分析上述试验全过程现象可知，试件的破坏形式是梁柱多处孔周边达到屈服，孔间“墩”处出现鼓曲变形而导致结构失去承载力。六边形孔试件 CSPF 2 与 CSPF 3 的应力发展过程基本一致，但圆孔试件 CSPF 1 首次出现屈服时的荷载较大。这主要是因为六边形孔洞切割时菱角处容易出现物理缺 陷，且菱角易产生应力集中而导致屈服应变的过早出现。综上所述，开口形式对结构强度产生了一定影 响，在节点域设置加劲肋对试件的影响不大。3试验结果分析3. 1 截面应力分布及平截面假定分析由于试件结构和荷载均是对称的，因此，仅取右半部刚架结构讨论其应变沿截面高度的分

21、布规律。3 榀刚架截面位置选取一致，图 5 为 CSPF 1 各截面位置，图 6 描述了 CSPF 1 应变沿截面高度分布情 况。其中，n 定义为每级荷载值( N) 与梁上出现屈服时对应的最大荷载 ( Ny ) 之 比，即 n = N / Ny ，对 于 CSPF 1，Ny1 = 75. 2 kN。由于 CSPF 2 与 CSPF 3 性质基本相同，故本节仅讨论 CSPF 2，Ny2 = 85. 2kN。图 5 CSPF 1 典型截面选取示意图( 单位: mm)Fig. 5 Typical section selection of CSPF 1( Unit: mm)从图 6 可以看出，圆孔刚架

22、梁纯弯段应力沿截面呈非线性分布，跨中空腹 1 1 截面应力分布为缓 坡梯形，孔周应变稍大于翼缘; 跨中纯弯段实腹 2 2 截面翼缘应变最大，这是由于截面临近孔边，孔口 的应力集中及空腹处剪力次弯矩产生的附加正应力造成了截面上的非线性应力分布; 3 3 实腹截面应 力分布非线性较 2 2 截面的显著，除了孔口应力集中的影响之外，该截面还同时存在较大剪力及较小 弯矩的叠加; 4 4 和 5 5 实腹截面由于距孔口较远，截面应力分布基本符合平截面假定。图 7 展示了 CSPF 2 应变沿截面高度分布情况。经比较发现，腹板开六边形孔试件各截面应力分 布与腹板开圆形孔试件的应变分布特性基本相似，这里不再

23、赘述。806广西大学学报: 自然科学版第 38 卷( a)纯弯段空腹 1 1 截面( b)纯弯段实腹 2 2 截面( c)1 /4 梁跨实腹 3 3 截面( d) 梁右端 4 4 截面( e) 柱顶 5 5 截面图 6 CSPF 1 典型截面沿截面高度应变分布Fig. 6 Strain distributions along the typical section height of CSPF 1( a) 纯弯段空腹 1 1 截面( b) 纯弯实腹 2 2 截面( c) 1 /4 跨实腹 3 3 截面( d) 梁右端 4 4 截面( e) 柱顶 5 5 截面图 7 CSPF 2 典型截面沿截面

24、高度应变分布Fig. 7 Strain distributions along the typical section height of CSPF-2807第 4 期张 雯等: 蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究3. 2承载能力分析本试验对 CSPF 2 进行了静载下的破坏性试验，其余 2 榀刚架仅加载至少数测点达到屈服，为便于比较，以屈服荷载为指标进行 3 榀蜂窝轻钢门式刚架的承载能力分析。本文中提及的屈服荷载是指试件在荷载作用下首次出现屈服测点时所对应的竖向荷载值。3 榀刚架承载能力对比分析如表 3 所示。由表 3 可知，对于蜂窝轻钢门式刚架，腹板开圆形孔洞的受力性能比开六边形孔洞的好，前

25、者首次 出现屈服时所对应的荷载比后者稍高。试验后观察发现，试件 CSPF 2 及 CSPF 3 柱顶第一孔口菱角处存在物理缺陷，缺陷处产生的应力集中直接导致了此处测点的应变迅速增加至屈服。通过对比梁上 出现屈服测点时的竖向荷载值得知，腹板开六边形孔的试件承载力高于腹板开圆孔的试件。这主要是因为在试件设计时前者开孔率 ( 31. 3% ) 小于后者 ( 41. 5% ) ，而蜂窝钢构件中的剪力由被削弱的腹板 ( 孔间“墩”处) 承担，若构件开孔率较大，破坏时梁翼缘未被充分利用，故承载能力较低。表 4Tab. 4屈服荷载Yield load试件编号屈服荷载 / kN梁首次屈服 / kN备注CSPF

26、 1CSPF 275. 270. 475. 285. 2柱上孔周应力小柱顶孔口过早屈服 CSPF 3 70. 1 86. 0 柱顶孔口过早屈服3. 3孔口应力分布分析本试验通过设置在试件各孔周的三向应变片获取孔周等效应力的分布规律。图 8 图 10 为各试 件首次达到屈服时各典型孔口周边应力分布图，经对比分析，可以得出如下几点结论: 对比蜂窝刚架左右半结构可以发现，孔周应力分布基本符合对称性。 梁跨中纯弯段孔口( ) 周边的应力分布呈葫芦形，左右两边的应力分布基本关于 MN 对称，最 大压应力出现在 OM 方向上，最大拉应力与压应力的位置相反，孔周大部分边界以拉应力为主。 梁右端号孔孔周与正截

27、面 OM( 负截面 ON) 成 30° 60°区间范围内为该孔最大拉应力所在范围，与正截面 OM( 负截面 ON) 成 30° 60°区间则为梁上最大压应力所在范围。 除纯弯段外，所有试件上的典型孔口周边的应力基本上可划分为 4 个拉压应力间隔分布且同号 应力相对的区域; 对于纯弯段内的孔口，其应力分布呈上下分布的形式，上部“桥”部分受压、下部“桥”受拉，其他部位的腹板应力均较小; 六边形孔周应力的分布规律与圆形孔的相似。 梁端第一孔在受荷后剪力与弯矩均较大，故其应力发展最快，变形最严重，是结构最危险区域， 因此，非抗震设计计算时该处可视为设计控制截面。

28、图 8 CSPF 1 典型孔孔周应力分布( 单位: MPa)Fig. 8 Stress distributions around the typical hole of CSPF-1( Unit: MPa)808广西大学学报: 自然科学版第 38 卷图 9 CSPF 2 典型孔孔周应力分布( 单位: MPa)Stress distributions around the typical hole of CSPF-2( Unit: MPa)Fig. 9图 10 CSPF 3 典型孔孔周应力分布( 单位: MPa)Stress distributions around the typical ho

29、le of CSPF-3( Unit: MPa)Fig. 103. 4荷载挠度曲线分析图 11 给出了各个试件的荷载跨中挠度曲线。从图 11 中可明显看出，CSPF 2 在 3 个试件中承载能力最高，其次是 CSPF 3 试件，再次为腹板开圆形孔洞的 CSPF 1 的试件。这说明: 在节点域设置加劲肋对结构的承载性能无明显作用; 圆形孔口试件的初始刚度较六边形试件的小，这主要是因为 在扩张比相同的情况下，圆形孔的“桥”高度小于六边形孔的，所以截面惯性矩稍有不同; 试件设计时由于圆形孔试件腹板开孔率( 41. 5% ) 比六边形孔腹板开孔率( 31. 3% ) 大，因而出现了 CSPF 1 的挠

30、曲变形发展快于其他试件的试验现象。由此可知，开孔率除了对梁的抗弯强度有较大影响外，对抗弯刚度亦有明显影响。本文中腹板开孔率定义为 = A / hAw 。其中，Ah 为孔口面积，Aw 为孔口所属面积等于孔中心距与腹板高度之积(= l孔中心距 × h腹板高度 ) 。Aw809第 4 期张 雯等: 蜂窝轻钢门式刚架静力性能试验研究图 11 荷载跨中挠度曲线Fig. 11 Load-mid-span deflection curves4讨论与结论蜂窝轻钢门式刚架是一种新型刚架结构形式，具有良好的静力力学性能，与普通实腹式轻钢门式刚架比较，在用钢量相同条件下，有着刚度大、承载力高、经济效益显著

31、的优势，但在制作时要复杂一些。本文利用静力试验方法进行了蜂窝轻钢门式刚架的研究，对试验数据及全过程试验现象进行处理分析， 评估了这种新型结构形式的各项力学性能。可以得出以下结论: 蜂窝轻钢门式刚架的承载能力极限破坏形式为: 在梁柱多处孔周边达到屈服，孔间“墩”处出现 鼓曲变形，而导致结构失去承载力。 在荷载作用下，蜂窝轻钢门式刚架除个别典型截面外，其余截面基本符合平截面假定。 不同的开口形式对蜂窝钢构件的受力性能有影响，腹板开圆形孔的蜂窝钢构件的受力性能比开 六边形孔的构件好。 不同开口形式的蜂窝钢构件上相同位置处孔口拉、压应力区分布的规律基本一致。 蜂窝钢构件的开孔率对构件的抗弯强度和抗弯刚度有明显影响，开孔率越大，抗弯强度降低，抗 弯刚度减弱。参考文献:1MOHEBKHAH A，SHOWKATI H. Bracing requirements for inelastic castellated beamsJ Journal of